(57)【要約】  【課題】太陽光発電システムにおいて発電量から日射強度を計算により求める。  【解決手段】日射強度から現在の発電量を計算により求めることができるシステムにおいて、日射強度の上限値と下限値の中央値を求めるステップと、その時の発電量を計算し、その計算値が実際の発電量よりも大きい場合は下限側、小さい場合は上限側の区分に対して同様の操作を繰り返すステップを含むことを特徴とする。本発明に係る日射強度計算方法によると、現在の発電量を入力するだけで、効率よくその発電量に対応する日射強度を求めることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
日射強度から現在の発電量を計算により求めることができるシステムを用いて、発電量から日射量を逆計算するプログラムであって、日射強度の上限値と下限値の中央値を求めるステップと、その時の発電量を計算し、その計算値が実際の発電量よりも大きい場合は下限側、小さい場合は上限側の区分に対して同様の操作を繰り返すステップを実行させることを特徴とする日射強度計算プログラム。
【請求項２】
日射強度から光起電流を算出し、太陽電池モジュールの等価回路に対しキルヒホッフの法則を適用してその日射強度に対応する発電量を算出するシステムにおいて、発電量に対応する日射強度を誤差εの精度で逆計算する方法であって、
（ａ）発電量の実績値Ｐｍａｘ＿ｏｂｓを入力するステップと、
（ｂ）日射強度の上限値Ｈａ＿ｕｐｐｅｒに太陽定数を下限値Ｈａ＿ｌｏｗｅｒにゼロを代入するステップと、
（ｃ）上限値と下限値の差ΔＨを計算するステップと
（ｄ）前記ΔＨの値が予め設定した誤差ε未満であるときは、前記上限値と下限値の中央値Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅを出力して終了するが、
（ｅ）前記ΔＨの値が予め設定した誤差ε以上であるときは、前記中央値に対応する発電量Ｐｍａｘを算出し、その発電量Ｐｍａｘが前記発電量の実績値Ｐｍａｘ＿ｏｂｓ以上であるときは、前記上限値に前記中央値Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅを代入するが、
その発電量が前記発電量の実績値Ｐｍａｘ＿ｏｂｓ未満であるときは、前記下限値に前記中央値Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅ を代入し、
（ｆ）再び前記ステップ（ｃ）を実行する
ことを特徴とする日射強度計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電システムの発電量をもとに日射強度を計算する日射強度計算方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所は消費エネルギーの需要予測に基づいて発電設備の運転計画を策定する。その際、太陽光発電システムによるエネルギー見込み分は負の需要として考慮されなければならない。ここで、太陽光発電システムと強相関である日射強度が予測に利用できると考えられる。しかし、太陽光発電システムでは、発電量の計測設備は整っているが日射強度の計測設備は整っていない。また、気象データとしては各地の日射強度のデータは存在しているが、実際の発電システムに照射された日射強度は、発電電池パネルの設置角度や太陽電池モジュールパラメータなどの太陽光発電システムごとの固有の情報を一切含まないため、使いづらい。
【０００３】
このような事情を背景として、発電量から日射強度を計算する技術が求められている。
【０００４】
なお、太陽電池セルを利用して日射強度を測定する方法は知られているが（特許文献１参照）、温度を異ならせて曲線補間し、１回の計算で日射強度を計算することがポイントであり、本発明とは構成及びその技術的意義が大きく異なる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−７７３１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、太陽光発電システムの発電量を基に日射強度を計算する方法を提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本件の発明者たちは、日射強度が下限値ゼロから太陽定数とよばれる上限値に至る連続値をとり、かつ、発電量は日射強度に対する単調増加関数である点に着目し、簡単な検索アルゴリズムを用いて現在の発電量に対応する日射強度を高精度で求める方法を発明した。
【０００８】
本発明に係る日射強度計算プログラムは、日射強度から現在の発電量を計算により求めることができるシステムを用いて、発電量から日射量を逆計算するプログラムであって、日射強度の上限値と下限値の中央値を求めるステップと、その時の発電量を計算し、その計算値が実際の発電量よりも大きい場合は下限側、小さい場合は上限側の区分に対して同様の操作を繰り返すステップを実行させることを特徴とする。
【０００９】
この場合、日射強度の初期値は、上限値は太陽定数（すなわち、１．３５３）、下限値０である。計算を１回繰り返すごとに探索範囲が半分となるため、求める日射強度の精度は指数関数的に向上する。計算の終了は、日射強度の計算値が、予め定めておいた誤差よりも小さくなったときとする。このプログラムの手順をより詳細に説明すると、次のようになる。
【００１０】
本発明に係る日射強度計算方法は、日射強度から光起電流を算出し、太陽電池モジュールの等価回路に対しキルヒホッフの法則を適用してその日射強度に対応する発電量を算出するシステムにおいて、発電量に対応する日射強度を誤差εの精度で逆計算する方法であって、
（ａ）発電量の実績値Ｐｍａｘ＿ｏｂｓを入力するステップと、
（ｂ）日射強度の上限値Ｈａ＿ｕｐｐｅｒに太陽定数を下限値Ｈａ＿ｌｏｗｅｒにゼロを代入するステップと、
（ｃ）上限値と下限値の差ΔＨを計算するステップと
（ｄ）前記ΔＨの値が予め設定した誤差ε未満であるときは、前記上限値と下限値の中央値Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅを出力して終了するが、
（ｅ）前記ΔＨの値が予め設定した誤差ε以上であるときは、前記中央値に対応する発電量Ｐｍａｘを算出し、その発電量Ｐｍａｘが前記発電量の実績値Ｐｍａｘ＿ｏｂｓ以上であるときは、前記上限値に前記中央値Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅを代入するが、
その発電量が前記発電量の実績値Ｐｍａｘ＿ｏｂｓ未満であるときは、前記下限値に前記中央値Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅ を代入し、
（ｆ）再び前記ステップ（ｃ）を実行する
ことを特徴とする。
【００１１】
なお、ここで中央値Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅとは、相加平均値（上限値と下限値の和を２で割った値）を意味する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る日射強度計算方法によると、現在の発電量を入力するだけで、効率よくその発電量に対応する日射強度を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（記号の定義）
日射強度  Ｈａ［ｋＷ／ｍ２］
太陽電池モジュールの温度  Ｔ  ［Ｋ］（絶対温度）
光起電流Ｉｐｈ［Ａ］
ダイオード飽和電流Ｉ０［Ａ］
内部直列抵抗Ｒｓ［Ω］
内部並列抵抗Ｒｐ［Ω］
ダイオードファクタＤｐ［−］
※以下、本明細書では、Ｉ０，Ｒｓ，Ｒｐ，Ｄｐ の４つのパラメータを太陽電池モジュールパラーメータとよぶ。
【００１４】
（課題解決のアルゴリズム）
日射強度は発電量に対する単調増加関数である。従って、太陽電池モジュールの温度や太陽電池モジュールパラメータなど所定の条件を固定すれば理論的には発電量が決まればこれに対応する日射強度が一意に定まる。
【００１５】
日射強度には太陽定数（ソーラー・コンスタント）とよばれる上限値が存在する。従って、日射強度は常に下限値と上限値との間の値をとる。
【００１６】
本発明に係る日射強度測定方法は、二分探索法により、日射強度を計算により求める。二分探索法とは、ソート済の数値列から目的とする数値を探索するアルゴリズムの一つである。詳細は実施例で説明する。
【実施例】
【００１７】
［順計算：日射強度Ｈａ→発電強度Ｐｍａｘ］
はじめに、日射強度から発電量を求める方法について説明する。この方法は、図３（ａ）に示すような太陽光発電システムの等価回路に対し、太陽電池モジュールパラメータ（Ｉ０，Ｒｓ，Ｒｐ，Ｄｐ）を含む電流Ｉと電圧の関係式と、制御回路の電流電圧特性及び電気回路に関するキルヒホッフの法則を用いて、太陽電池モジュールの発電量を求める。必要により、そこから太陽電池モジュールの等価回路定数を計算し、アレイ等価回路を構築して最大電力を計算する。
【００１８】
図１は、日射強度から発電量を計算により求めるプログラムのアルゴリズムを示している。日射強度Ｈａは気象データなどのデータベースを用いることができる。
【００１９】
ステップＳＡ１及びステップＳＡ２は、計算に必要な初期値を入力するステップであり、順序は逆であっても良い。ステップＳＡ１は、日射強度を入力するステップである。ステップＳＡ２は、太陽電池モジュールの温度を入力するステップである。
【００２０】
ここから、光起電流Ｉｐｈを計算する。光起電流は以下の式により計算される。日射強度Ｈａ［ｋＷ／ｍ２］、太陽電池モジュールの温度Ｔ［Ｋ］として、式１により計算される。ステップＳＡ３は、式１によって光起電流Ｉｐｈを計算するステップである。
【００２１】
Ｉｐｈ＝Ｉｐｈ０×｛１＋０．０００５１０２９（Ｔ−２９８．１６）｝×［１．０３×Ｈａ−０．０３×｛１−ｅｘｐ（−８×Ｈａ）｝］  ・・・・・（式１）
但し、Ｉｐｈ０は、標準状態（２５℃、日射１．０ｋＷ／ｍ２）の光起電流を表す。
【００２２】
ステップＳＡ４は、太陽電池モジュールパラメータ（Ｉ０，Ｒｓ，Ｒｐ，Ｄｐ）を入力するステップである。これらのパラメータは太陽電池モジュールに固有の定数である。
【００２３】
ステップＳＡ５は、光起電流Ｉｐｈと太陽電池モジュールパラメータ（Ｉ０，Ｒｓ，Ｒｐ，Ｄｐ）から、回路を流れる電流Ｉ及び太陽電池モジュールの両端の電圧Ｖ
を含む回路方程式を立てるステップである。式２に示す回路方程式が立式される。
【００２４】
Ｉ＝Ｉｐｈ−Ｉ０［ｅｘｐ｛Ｃ（Ｖ＋Ｉ×Ｒｓ）｝−１］−（Ｖ＋Ｉ×Ｒｓ）／Ｒｐ
・・・・・（式２）
但し、Ｃ＝ｑ／（Ｄｐ×ｋ×Ｔ）      （ｋはボルツマン定数）
【００２５】
ここに、光起電流及び太陽電池モジュールパラメータの値を代入すれば、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性が求められる。
【００２６】
図３（ｂ）は、得られたＩ−Ｖ特性をグラフ化したものの一例である。
ステップＳＡ６は、最大出力Ｐｍａｘ［Ｗ］を求めるステップである。最大出力は、出力Ｐ＝Ｉ×Ｖとして計算され、同時にこれを最大にするときの電流Ｉｍａｘ及び電圧Ｖｍａｘが求められる。
【００２７】
このようにして、日射強度Ｈａから太陽電池モジュールの最大電力Ｐｍａｘが計算により求められる。なお、太陽高度を計算し、モジュールにかかる日陰を３次元で解析し、モジュールに影がかかっているときはモジュールの受ける日射強度から影の割合を減算すれば、より精度の高い電力計算ができる。
【００２８】
なお、モジュールを複数結線してアレイにしている場合は、各モジュールの標準状態（２５℃、日射１．０ｋＷ／ｍ２）における等価回路定数を算出し、モジュール等価回路を直並列に接続してアレイ等価回路を構築し（必要によりバイパスダイオード、ブロッキングダイオードの影響も考慮する。）、任意の日射強度及び任意のモジュール温度のときのＩ−Ｖカーブを算出し、Ｐｍａｘ，Ｉｍａｘ，Ｖｍａｘを求めることで、より精度の高い電力計算ができる。
【００２９】
［逆計算：発電量Ｐｍａｘ→日射強度Ｈａ］
次に、発電量Ｐｍａｘから日射強度Ｈａを求める方法について説明する。太陽電池モジュールの絶対温度及び太陽電池モジュールパラメータを既知として、与えられた日射強度に対する発電量を計算して、実際の発電量（観測値）に近い値を与える日射強度を探索する。
【００３０】
日射強度は常に下限値０［ｋＷ／ｍ２］と上限値１．３５３［ｋＷ／ｍ２］（ここで、上限値は宇宙物理学から導かれる太陽定数とよばれる値であり、その大きさは１．３５３である。）との間をとり、かつ、発電量に対する単調増加関数となっている。このようなときは、二分探索法という検索アルゴリズムを用いることが効果的である。。
【００３１】
図２は、発電量から日射強度を計算により求めるプログラムのアルゴリズムを示している。
ステップＳＢ１は、発電量の実績値Ｐｍａｘ＿ｏｂｓを入力するステップである。
ステップＳＢ２は、日射強度の下限値と上限値の初期値（Ｈａ＿ｌｏｗｅｒ及びＨａ＿ｕｐｐｅｒ）を入力するステップである。ここに、０及び１．３５３をそれぞれ代入する。また、上限値と下限値の差ΔＨａ＝Ｈａ＿ｕｐｐｅｒ−Ｈａ＿ｌｏｗｅｒを定義し計算しておく。
ステップＳＢ３は条件分岐を表している。求める日射強度の解の誤差をεとし、予め精度を設定しておく。例えば、１％の精度の場合、上限値１．３５３の１％、すなわちε＝０．０１３５３である。ΔＨａ＜εのときは、ステップＳＢ４を実行して検索を停止する。
ステップＳＢ４は上限値と下限値の中央値（相加平均値）を求め、Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅに代入するステップである。
ΔＨａ≧εのときは、ステップＳＢ５を実行する。
ステップＳＢ５は、ステップＳＢ４と同様上限値と下限値の中央値（相加平均値）を求め、Ｈａ＿ｍｉｄｄｌｅに代入するステップである。
ステップＳＢ６は、ステップＳＢ５で計算したＨａ＿ｍｉｄｄｌｅをＨａに代入し、ステップＳＢ７を実行するステップである。ここで、ステップＳＢ７は、図１で説明したアルゴリズムすなわち既知の日射強度から最大出力Ｐｍａｘを求めるステップ（ＳＡ１〜ＳＡ６）を適用しても良く、他の方法で求めても構わない。
ステップＳＢ８は条件分岐を表している。ＳＢ７で計算した最大出力ＰｍａｘとＳＢ１で入力した発電量の実績値Ｐｍａｘ＿ｏｂｓの大きさを比較し、Ｐｍａｘ≧Ｐｍａｘ＿ｏｂｓのときは上限値Ｈａ＿ｕｐｐｅｒにＳＢ５で定義したＨａ＿ｍｉｄｄｅｌを代入し、ステップＳＢ３の条件分岐にジャンプする。
【００３２】
このように上限値と下限値の中央値（相加平均値）を日射強度として発電量を求め、その値が実際の発電量よりも大きい場合は下限側、小さい場合は上限側の区分に対して同様の操作を繰り返す。これにより、対象区間の範囲は毎回半分となり、求める日射強度の精度は指数関数的に向上する。
【００３３】
なお、公知の日射強度計算方法（特許文献１）は測定器の発明であって、温度を異ならせて曲線補間し、１回の計算で日射強度を計算するのに対し、本発明に係る方法では、二分探索法により予め設定した誤差以下になるまで繰り返し計算するため精度が保証されている。しかも、プログラムが単純であり、短時間に結果が得られるという点で、顕著な効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明に係る日射強度測定方法は、太陽光発電システムの発電量から日射強度を極めて効率よく求めることができ、産業上の利用可能性は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、日射強度から発電量を計算するためのアルゴリズムを表す図である。
【図２】図２は、発電量から日射強度を計算するためのアルゴリズムを表す図である。
【図３】図３（ａ）は、太陽電池モジュールの等価回路を表す図である。（ｂ）は、得られたＩ−Ｖ特性をグラフ化したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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